Atomska fizika



Yüklə 128,48 Kb.
səhifə1/3
tarix17.11.2018
ölçüsü128,48 Kb.
  1   2   3

Atomska fizika
Modeli atoma
Još pre 2500 godina grčki folozof Demokrit je došao na ideju da je sva materija sačinjena od najsitnijih i nedeljivih čestica, koje je on nazvao atomi ( od grčke reči atomus – nedeljiv ). Do ove ideje Demokrit je došao čistim razmišljanjem – starogrčki filozofi nisu previše cenili eksperimentalni metod u nauci. Logika koju je Demokrit upotrebio,

da bi uopšte došao do ideje o postojanju

ovakvih nedeljivih čestica, je vrlo zanim-

ljiva i naravno pogrešna. On je razmišljao

o horizontalnim presecima valjka i kupe.

Gornji i donji deo preseka valjka moraju

biti jednaki ( sl. 1.), dok kod kupe donji

deo preseka mora biti veći od gornjeg pre-

seka, prosto zato što se kupa sužava ka

svom vrhu. Sada je Demokrit pretpostavio

da se ova kupa najmanje moguće sužava

prema vrhu, a da je nož kojim sečemo ku-

pu najoštriji i najtanji mogući nož. Tada

je razlika površina donje i gornje strane sl. 1.

preseka najmanja moguća. Tačnije, ako

ove dve kružne površine postavimo tako da im se centri poklope, tada se one razlikuju za površinu kružnog prstena koji tako nastaje. S obzirom da je kupa se najmanjim mogućim nagibom, a da ne postoji tanji nož od upotrebljenog, mora biti da je debljina ovog prstena najmanja moguća. Kako je kupa sačinjena od čestica i ako pretpostavimo da pomenuti prsten čini niz takvih čestica, tada je debljina prstena jednaka prečniku takve čestice. Kako je debljina tog prstena najmanja moguća, to znači i da je prečnik takve čestice najmanji moguć To dalje znači da je ta čestica najmanja moguća čestica, a samim tim znači da je nedeljiva. Naime, ako bi bila deljiva to znači da ne bi bila najmanja.

Tako je Demokrit došao do ideje o »nedeljivim« atomima koji čine svekoliku materiju.

Daljim razmišljanjem Demokrit je,

iz pogrešne pretpostavke da su atomi ne-

deljivi i uglavnom pogrešnom logikom,

došao do tačnog zaključka da u materijalu

( koga čine ) atomi nisu gusto pakovani,

već da se nalaze na izvesnim međusobnim

rastojanjima. On je zamislio jednu jabuku

i ako su atomi, koji je čine, gusto pakovani

tada ne bismo mogli da je presečemo, zato

što bi nož vrlo brzo naišao na neki od ato-

ma, a kako je atom nedeljiv to bi zaustavilo

nož. Dakle, umovao je on, atomi moraju bi-

ti razmaknuti da bi nož pri sečenju jabuke sl. 2.

mogao da prolazi između njih ( sl. 2.).

Sa propašću Jonjanske kulture došlo je zamiranja naučnih ideja u Staroj Grčkoj, a jedna od njih bila je i Demokritova ideja o atomima.

U nauci modernog doba prvi je ideju o atomima (1808. god.), ali i o molekulima obnovio engleski hemičar Džon Dalton kada je otkrio zakon stalnih masenih odnosa. On je otkrio da se određeni materijali pri hemijskom sjedinjavanju uvek sjedinjavaju u istim masenim odnosima. Recimo: 1 gr vodonika će se uvek sjediniti sa tačno 8 gr kiseonika, gradeći na taj način 9 gr vode. Dalton je, sasvim logično, pretpostavio da se i vodonik i kiseonik sastoje od elementarnih čestica – atoma, pri čemu je atom kiseonika 8 puta masivniji od atoma vodonika, a da voda nastaje spajanjem ove dve čestice u molekul čija je masa 9 puta veća od vodonikove… Istini za volju Dalton nije bio baš najprecizniji u merenju, pa je njegova masa kiseonika bila 7 puta veća od mase vodonika. Jedina greška u ovom Daltonovom razmišljanju, ali sasvim razumljiva, je bila da se u stvarnosti dva atoma vodonika spajaju sa jednim atomom kiseonika ( setite se da formula vode jeste H2O ), a to znači da je atom kiseonika ne 8 puta već 16 puta masivniji od atoma vodonika. Dalton je poznat i po tome što je bio slep za boje, a ovaj fenomen po njemu nosi ime – daltonizam.

Malo kasnije engleski fizičar Majkl Faradej radeći na zakonima elektrolize propušta priliku da dokaže postojanje atoma i molekula.

1869. godine ruski hemičar Dmitrij Ivanovič Mendeljejev je uspeo da napravi red u do tada otkrivenim elementima i da ih smesti u čuveni – Periodni sistem elemenata.

1871. godine najveći zagovornik postojanja atoma i molekula XIX veka austrijski fizičar Ludvig Bolcman je pretpostavio da se gas sastoji od molekula koji se kreću ( Molekulsko – kinetička teorija gasova - II razred ), pa je iz ove pretpostavke upotrebom matematičkog jezika uspeo da izvede četiri gasna zakona, koja su već ranije bila poznata u fizici.

Krajem XIX veka većina naučnika je sumnjala u postojanje atoma, a ovo je posebno važilo za naučnike sa nemačkog govornog područja. U tome se naročito isticao Ernst Mah.

1895. godine nemački fizičar Vilhelm Rentgen je otkrio X – zrake.

1896. godine francuski naučnik Anri Bekerel je otkrio radioaktivnost, tj. postojanje prirodnih radioaktivnih elemenata. Do otkrića je stigao sasvim slučajno. Istraživao je fosforescenciju različitih materijala, pa je jednog dana to radio sa rudom urana poznatom kao peh blenda. No dan nije bio sunčan pa je komad rude ostavio u fioci. U fioci se slučajno nalazio i neupotrebljen foto-film. Posle nekoliko dana Bekerel je otkrio da je film osvetljen iako je bio zamotan u crni papir, tj. zaštićen. Njegova pretpostavka je bila da ruda urana emituje neko, do tada, nepoznato zračenje koje je toliko prodorno da ga zaštitni papir nije mogao zaustaviti. Odmah zatim bračni par Pjer i Marija Kiri ( Bekerelov student – diplomac ) u saradnji sa Bekerelom otkrivaju dva nova radioaktivna elementa: polonijum ( nazvan po Poljskoj jer je madam Kiri bila rodom iz Poljske ) i radijum – po kome je i cela pojava dobila ime. Naime, radijum mnogo više zrači od drugih radioaktivnih materijala, čak toliko da u mraku iz sebe emituje plavu svetlost, pa je Marija Kiri ovu »radijumovu aktivnost« skraćeno nazvala »radioaktivnost«.

1897. godine engleski fizičar i direktor čuvene Kevendiš laboratorije Dž. Dž. Tomson je sa svojim saradnicima otkrio elektron.

1905. godine Albert Ajnštajn je prvi dao neporecive dokaze o postojanju atoma, tj. molekula objasnivši Braunovo kretanje. Škotski botaničar Braun je, pod mikroskopom, otkrio da zrnca polenovog praha, koja su potopljena u vodu, ne miruju nego se kreću po cik-cak putanjama. Ajnštajn je pretpostavio da je ovo posledica njihovih sudaranja sa molekulima vode koji se kreću haotično, a onda je to matematički i dokazao.

Prvih godina XX veka Tomson je pokušao da zamisli kako atom izgleda. Kao posledica ovog razmišljanja nastao je:



Tomsonov model atoma:

Atom je pozitivna kuglica u čijoj unutrašnjosti se nalaze šupljine koje su ispunjene negativnim elektronima. Mene ovo podseća na lubenicu i semenke u njoj, ali Tomsona je ovo asociralo na puding sa šljivama. Atom je ukupno neutralna čestica, a u materijalu atomi su gusto pakovani.

Ovo je maltene po svemu pogrešan model, ali ima značaj kao prvi model atoma u modernoj nauci.

1910. godine novozelandski fizičar

Ernest Raderford je izveo čuveni eksperi-

ment u kome je stavio na probu Tomsonov

model atoma ( sl. 3.).

U staklenom balonu je obešen vrlo

tanak listić zlata. Unutrašnja površina ba-

lona je premazana naročitom supstancom

koju nazivamo scintilator. Ova supstanca

ima osobinu da zasvetluca na mestu gde je Au

pogođena nekom elementarnom česticom

( scintila lat. – iskrica ).

U listić zlata je usmeren uzan snop



– čestica. sl. 3.

– čestica je sačinjena od dva protona i dva neutrona, pa je zbog toga oko 7350 puta masivnija od jednog elektrona, dok je njeno naelektrisanje pozitivno i dva puta veće od naelektrisanja elektrona.

Raderford je razmišljao na sledeći način: ako je Tomsonov model atoma tačan, tada je listić zlata, ma koliko bio tanak, neprobojon za – čestice, zato što su po Tomsonovom modelu atomi kompaktne čestice koje su gusto pakovane. U tom slučaju – čestice bi se morale nagomilavati na listiću zlata, jer ih neutralni atomi ne bi mogli ni odbiti unazad.

No rezultat eksperimenta je

bio potpuno neočekivan. Veliki

broj – čestica, oko 90 % je pro-

šao pravolinijski krozu listić zlata, + atomsko jezgro

dok je ostatak – čestica doživeo snop – čestica

rasejanje u svim pravcima unutar ba-

lona. Čak se izvestan vrlo mali broj

– čestica odbio o listić zlata i vra-

tio unazad. Rezultate ovog eksperi- sl. 4.

menta Raderford je objasnio na slede-

ći način. Atom ima malo pozitivno jezgro ( sl. 4.) koje je kada je u pitanju atom zlata dovoljno masivno da raseje ili čak odbije unazad – česticu odbojnom Kulonovom silom. Najveći deo prostora u atomu je prazan, a u njemu elektroni orbitiraju oko jezgra. Raderford je pretpostavio da atomi nisu gusto pakovani već da se nalaze na relativno velikim međuatomskim rastojanjima. Kroz taj ogroman prazan prostor između jezgara dva susedna atoma prolazi onaj veliki broj ( 90 % ) – čestica koji prolazi pravolinijski bez rasejanja. Ovaj model atoma je u potpunosti objasnio rezultate Raderfordovog eksperimenta, a u fizici je postao poznat kao:



Raderfordov model atoma

Atom ima malo pozitivno jezgro oko koga negativni elektroni orbitiraju po kružnim putanjama. Atom je ukupno neutralan, a u materijalu atomi se nalaze na relativno velikim međuatomskim rastojanjima. Zbog formalne analogije sa Sunčevim sistemom ovaj model je poznat i kao planetarni model atoma.


Borovi postulati. Kvantovanje energije ( Ispravka i dopune Raderfordovog modela atoma )
Jedina ispravka Raderfordovog modela atoma se odnosi na oblik elektronskih orbita. Na osnovu rezultata Štarkovog eksperimenta, u kome je otkrivena fina struktura spektralnih linija, Zomerfeld je došao do zaključka da orbite nisu kružnog, već da su eliptičnog oblika.

Raderfordov model atoma je doživeo jako veliki broj dopuna od kojih ću prikazati samo one najvažnije.


- 1919. godine Raderford je eksperimentalno otkrio protone i zaključio da su oni sastavni delovi atomskog jezgra. Proton je pozitivna čestica i 1836.1 put je masivniji od elektrona.
- 1932. godine Čedvik je eksperimentalno potvrdio Raderfordovu pretpostavku da u jezgrima atoma postoje masivne neutralne čestice. Tu česticu Čedvik je nazvao neutron, a on je neznatno masivniji od protona ( mn = 1838.6 me ) .
- Elektronski omotač se sastoji od beskonačno mnogo orbita, ali elektroni zauzimaju samo nekoliko njih najbližih jezgru. Orbite se broje od jezgra naviše, tako da je prva orbita najbliža jezgru. Kod najvećeg prirodnog atoma – urana, koji ima 92 elektrona, ovi elektroni zauzimaju 7 orbita najbližih jezgru. Zbog toga se jednostavnosti radi obično kaže da se elektronski omotači atoma sastoje od 7 orbita. Nasuprot uranu najmanji atom je atom vodonika koji ime samo jedan elektron, a on se nalazi najčešće u prvoj orbiti

Najmanju energiju elektron ima u prvoj orbiti. Ka višim orbitama energija elektrona raste, ali se korak njenog porasta skraćuje. Zbog toga najveći energetski razmak je između prve i druge orbite, a najmanji je između šeste i sedme.

Energija elektrona, u elektronskom omotaču atoma, je negativna što ne treba da iznenađuje s obzirom da je to zbir kinetičke energije elektrona i njegove potencijalne energije koja nastaje od privlačne Kulonove sile između pozitivnog jezgra i negativnog elektrona. Treba imati na umu da je potencijalna energija tela koja nastaje od dejstva privlačne sile uvek negativna. Pritom je apsolutna vrednost potencijalne energije veća od kinetičke energije, pa je to njihov zbir negativan i to je energija koja drži elektron u vezanom stanju. Njena apsolutna vrednost nam govori koliko je energije potrebno da elektron apsorbuje da bio se oslobodio iz vezanog stanja i da bi uspeo da napusti atom – što predstavlja proces jonizacije. Izraz za ovu energiju glasi:

( 1 )

gde su: naelektrisanje jednog elektrona ( ili protona ), masa elektrona, apsolutna dielektrička propustljivost vakuuma i univerzalna Plankova konstanta. Sledeće dve veličine su: Z redni broj elementa čiji atom posmatramo i n redni broj orbite u kome se posmatrani elektron nalazi. Izvođenje izraza ( 1 ) za energiju elektrona je na kraju ove lekcije.

Uzmimo da je atom vodonik ( Z = 1 ) i možemo izračunati energije elektrona u svakoj posebnoj orbiti od prve do sedme iz skraćenog obrasca :

n = 1,

n = 2,

n = 3,

n = 4,

n = 5,

n = 6,

n = 7,
- Elektron u omotaču atoma može se naći u osnovnom ili u pobuđenom stanju. U mikrosvetu važi Princip minimuma energije koji glasi: Svaki mikrosistem teži da pređe u stanje sa minimalnom energijom. Zbog toga i elektron teži da se nađe u stanju sa minimalnom energijom, a to je prva orbita. Ona predstavlja osnovno stanje elektrona, zato što u njoj elektron provodi najviše vremena. Svaka viša orbita predstavlja pobuđeno stanje i elektron se u njemu zadržava jako malo vremena.

Stvari se komplikuju kada u atomu ima više od dva elektrona. Tada je prva orbita popunjena sa dva elektrona i u njoj nema mesta za treći elektron, pa on tada zauzima mesto u sledećoj drugoj orbiti kao svom prinudnom osnovnom stanju. Druga orbita je popunjena sa osam elektrona, pa kako je 2 + 8 = 10, sledeći jedanaesti elektron zauzima mesto u sledećoj trećoj orbiti itd.

Svaka orbita se sastoji od 2 ili više orbitala o čemu će više reči biti u lekciji Kvantni brojevi.
- Kada je Raderford postavio svoj planetarni model atoma bilo je jasno da ovakav model po zakonima elektrodinamike nije stabilan. Naime, svaka naelektrisana čestica koja se kreće ubrzano mora da zrači energiju u vidu elektromagnetnih talasa. Upravo u takvoj situaciji se nalazi Raderfordov elektron. On jeste naelektrisan, a pri kretanju po kružnoj putanji ima normalno ( centripetalno ) ubrzanje. Dakle, on mora da emituje energiju, a to znači kada zbog toga ostane bez energije on će morati da padne u jezgro. Ali to nije bilo sve. Trebalo je objasniti zašto atom datog elementa ( recimo vodonika ) uvek emituje iste talasne dužine, tj. boje.

Međutim, u to vreme naučnici uviđaju da se mikrosvet i mikročestice u njemu ne povinuju uvek zakonima makrosveta, već da se ponašaju u skladu sa svojim posebnim zakonima mikrosveta koji su u nauci poznati kao kvantni zakoni i koji obično ne važe za makro i mega tela.

1913. godine danski fizičar Nils Bor postavlja svoja tri postulata kojima objašnjava kako Raderfordov planetarni model može biti stabilan i probleme oko spektara atoma. Borovi postulati imaju karakter kvantnih zakona.

I Borov postulat:



Dok se kreće po istoj orbiti elektron niti emituje niti apsorbuje energiju. To još znači da orbite predstavljaju strogo određena energetska stanja u kojima se elektron može naći, ali i da se elektron ne može naći nigde van ovih stanja. U teoriji mikrosveta ovo je poznato kao kvantovanje energije, tj. to znači da je energija elektrona u atomu kvantovana veličina. Za ma koju fizičku veličinu u mikrosvetu se kaže da je kvantovana ako može imati samo strogo određene vrednosti, dok su joj sve ostale vrednosti zabranjene. Zbog svega ovoga orbita dobija nova imena koja su u vezi sa I Borovim postulatom. Ta imena su: stacionarno stanje elektrona ili energetski nivo u atomu.

II Borov postulat:



Kada skače sa više na nižu orbitu elektron emituje energiju ( uvek u vidu jednog fotona ), a kada apsorbuje energiju ( opet u vidu jednog fotona ) on skače sa niže na višu orbitu. Energija tog fotona ( bilo emitovanog, bilo apsorbovanog ) uvek je jednaka razlici energija ta dva energetska nivoa ( orbita ). Recimo, neka elektron u atomu vodonika skače sa pete () na prvu () orbitu. Tada on, u skladu sa II Borovim postulatom, emituje foton čija energija iznosi:

.

Obrnuto, pri apsorpciji elektron mora da bude pogođen fotonom tačno određene energije da bi ga apsorbovao i skočio u određenu višu orbitu. Na primer, ako elektron prelazi sa prve () na drugu () orbitu u atomu vodonika, treba da ga pogodi foton čija energija mora biti:

.

Ukoliko energija fotona nije jednaka izračunatoj energiji, elektron ga neće apsorbovati pa neće ni doći do prelaska u višu orbitu, a foton će posle sudara sa elektronom nastaviti svoje kretanje.

Kao teorijski balast uz svoj drugi postulat Bor je dobio i »kvantno skakanje« elektrona sa jednog energetskog nivoa na drugi. Naime, elektron uopšte »ne postoji« dok izvodi prelazak sa jednog energetskog nivoa na drugi. On postoji samo u jednom ili u drugom stanju, ali dok prelazi iz jednog stanja u drugo ne samo da ga je nemoguće detektovati, već se njegovo stanje ne može opisati ni matematičkim jednačinama. On je u jednom trenutku u jednom energetskom nivou, u sledećem trenutku nestaje iz nama poznatog svemira, da bi se u sledećem trenutku pojavio u novom energetskom stanju, što je uvek praćeno ili emisijom ili apsorpcijom jednog fotona. Postoji formalna analogija sa kretanjem skakača u šahu. Sve ostale figure izvode poteze tako što se mogu vući po tabli ne napuštajući njenu površinu ni na tren Međutim, skakač nema određeni put kojim bi se vukao po tabli već od jednog do drugog polja dolazi skokom ( što je naročito uočljivo ako je na početnom polju potpuno okružen drugim figurama ), pri čemu u jednom trenutku nestaje sa površine table da bi se u sledećem trenutku pojavio u drugoj tački te površine.

Međutim, II Borov postulat elegantno rešava sve probleme vezane za kako emisione, tako i apsorpcione spektre atoma. Naime, određena linija u emisionom ili apsorpcionom spektru nastaje tako što elektron prelazi sa jedne određene orbite na drugu isto tako određenu orbitu, pa je jasno da energija emitovanog ( ili apsorbovanog ) fotona mora biti uvek ista, a to znači da i talasna dužina, tj. boja te linije mora biti uvek ista, što ćemo videti u sledećoj lekciji.

III Borov postulat:

Orbitalni moment impulsa elektrona u atomu je kvantovana veličina:

( 2 )

gde je n = 1, 2, 3,… redni broj orbite u kojoj se elektron nalazi, r je poluprečnik te orbite, me je masa elektrona, v je brzina elektrona na toj orbiti, dok je h Plankova konstanta.

Pokazuje se da je kvantovana svaka veličina čija vrednost zavisi od n.

Sve do sada prikazane dopune i Zomerfeldova poravka Raderfordovog modela atoma nas dovode do Bor – Zomerfeldovog modela atoma.

Da bismo došli do modernog kvantno – mehaničkog modela atoma potrebno je da pogledamo još nekoliko dopuna.

- 1924. godine francuski fizičar Luj de Brolji je došao do zaključka da svaka čestica koja se kreće ima talasnu dužinu:

( 3 )

Kako je elektron na orbiti čestica u pokretu i on mora da ima talasnu dužinu, tj. elektron u orbiti predstavlja de Broljev talas. Kako ovakav talas mora da na orbitu smesti ceo broj talasnih dužina, tj. kako na njoj može postojati samo kao stojeći talas, jasno je da samo strogo određene vrednosti talasnih dužina mogu da se smeste na orbitu određenog poluprečnika r. To dalje znači da je talasna dužina elektrona u orbiti kvantovana, a to je razlog da budu kvantovane i njegova brzina, a onda i sve ostale veličine koje ga opisuju. Dakle dvojna priroda elektrona čestica – talas je osnovni razlog kvantovanja veličina koje ga opisuju.

Ovo otkriće je iskoristio austrijski fizičar Ervin Šredinger da bi elektron u atomu opisao jednačinama talasa i na taj način on je u atomsku fiziku uveo talasno – mehaničku teoriju i talasno – mehanički model atoma.

- Nekako u isto vreme 1926. godine nemački fizičar Verner Hajzenberg je postavio novu matričnu kvantnu teoriju, u čijem središtu je bio njegov Princip neodređenosti.

Hajzenbergov princip neodređenosti tvrdi da je nemoguće precizno odrediti, datoj mikročestici koja se kreće, izvesne parove veličina kao što su: položaj i impuls; energija i vreme; itd.

Neodređenost položaja i impulsa primenjena na elektron u atomu ima za posledicu da je nemoguće tačno utvrditi njegov položaj u orbiti, što je kombinovano sa nemogućnošću utvrđivanja ni njegove brzine u istom trenutku. To dalje znači da mi nismo u stanju da predvidimo buduće događaje vezane za taj elektron. Naime, još od Njutna je poznato da je za određivanje budućih događaja vezanih za jedno telo potrebno da znamo njegov položaj, njegovu brzinu i masu u istom trenutku i da takođe znamo sve sile koje u tom trenutku na njega deluju. Hajzenberg je, dakle, otkrio inherentnu neodređenost kvantnog sveta, tj. neodređenost koja je ugrađena u osnove mikrosveta.

Važan deo Hajzenbergove kvantne teorije je doprinos nemačkog naučnika Maksa Borna koji je otkrio da, ako već ne možemo odrediti precizan položaj elektrona, bar možemo precizno izračunati verovatnoću njegovog nalaženja u svakoj pojedinačnoj tački unutrašnjosti atoma. No ovakav proračun pokazuje da postoji verovatnoća da se elektron istovremeno nalazi u mnogo različitih tačaka, što on zapravo i čini. Situacija pomalo nalikuje na lopatice vetilatora pri brzom okretanju. Tada nam se čini da one ispunjavaju svaku pojedinačnu tačku prostora kroz koji se kreću. Važna razlika kada je u pitanju elektron je da se on stvarno nalazi u svakoj tački prostora kroz koji se kreće.

Zbog svega ovoga možemo reći da je orbitala, ne putanja po kojoj se elektron kreće, već da je geometrijsko mesto tačaka sa najvećom verovatnoćom nalaženja elektrona.
- Na kraju moram pomenuti i doprinos engleskog naučnika Pola Diraka koji je 1929. godine objavio rad pod imenom Kvantna teorija vakuuma kojim je postavio još jednu novu ( prektično treću ) kvantnu teoriju. Važan doprinos ove Dirakove teorije je da predviđa postojanje antimaterije.
Svi ovi doprinosi ( i još mnogo njih koje nisam ni pomenuo ) dovode nas do modernog kvantno – mehaničkog modela atoma.
Važno je takođe reći da sve tri postojeće kvantne teorije koje opisuju atome i elektrone u njima ( Šredingerova, Hajzenbergova i Dirakova ), iako to čine na različite načine, ipak daju iste konačne rezultate.




Dostları ilə paylaş:
  1   2   3


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2017
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə